CC BY
72
УДК 537.874
КОТОВ Леонид Нафанаилович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университета. Автор 260 научных публикаций, в т.ч. монографии, 4 изобретений
АСАДУЛЛИН Фанур Фаритович, кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой физики Сыктывкарского лесного института (филиал Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии). Автор 110 научных публикаций, в т.ч. двух учебных пособий
ЕФИМЕЦ Юрий Юрьевич, аспирант кафедры радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университета. Автор 15 научных публикаций
ВЛАСОВ Владимир Сергеевич, кандидат физико-математических наук, доцент Сыктывкарского государственного университета. Автор 57 научных публикаций, в т.ч. учебного пособия
ТУРКОВ Виктор Кузьмич, кандидат физикоматематических наук, доцент Сыктывкарского государственного университета. Автор 45 научных публикаций
ПЕТРАКОВ Анатолий Павлович, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой физики твёрдого тела Сыктывкарского государственного университета. Автор 125 научных публикаций, в т.ч. монографии, учебно-методического пособия
ПЕТРУНЕВ Сергей Николаевич, заместитель начальника центральных средств диспетчерского и технологического управления департамента информационных технологий филиала ОАО «МРСК Северо-Запада» «Комиэнерго». Автор 11 научных публикаций
КАЛИНИН Юрий Егорович, доктор физикоматематических наук, профессор, заведующий кафедрой физики твёрдого тела Воронежского государственного технического университета. Автор 180 научных публикаций, в т.ч. 8 учебных пособий
СИТНИКОВ Александр Викторович, кандидат физико-математических наук, доцент Воронежского государственного технического университета. Автор 110 научных публикаций, в т.ч. двух учебных пособий
НАНОСТРУКТУРА, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И СВЧ МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ДВУХ СЕРИЙ КОМПОЗИТНЫХ ПЛЁНОК (Co45Fe45Zr10)X(Al2O3)1X *
Работа посвящена исследованию СВЧ свойств композитных (металл-диэлектрических) плёнок и установлению взаимосвязи с их наноструктурными характеристиками и степенью их кристалличности. Изучены кристаллическая структура, наноструктура, зависимости удельного электрического сопротивления, положения ферромагнитного резонанса (ФМР) и ширины резонансной линии в зависимости от концентрации металлической фазы и отжига для двух серий композитных плёнок.
Композитные плёнки, СВЧ магнитные свойства, проводимость, наноструктура
Введение. Работа посвящена исследованию СВЧ магнитных свойств двух серий композитных плёнок с составами (Со45Рв45Zr10 )х (Лі2O3 )1_х и установлению взаимосвязи с их наноструктурными характе-
ристиками. Указанные композитные плёнки имеют уникальные свойства. В случае, если концентрация металлической фазы составляет меньше чем 40-50 ат. %, то эти фазы существуют как отдельные наноразмерные ферро-
* Статья опубликована при финансовой поддержке фонда РФФИ в рамках гранта № 06-02-17302.
магнитные частицы [1-3] в диэлектрической матрице. Наноразмерные ферромагнитные частицы (гранулы) в композитных плёнках приводят к необычным СВЧ и магнитным свойствам, которые ещё недостаточно изучены. Целью настоящей работы является выяснение природы аномального поведения зависимостей СВЧ магнитных свойств композитных плёнок и установление влияния на эти свойства состава, степени кристалличности металлической фазы и наноструктуры плёнок.
Структура и электрические свойства плёнок. Были получены две серии композитных плёнок с составами
(Со45 -^45 х ( А12°зХ-х, (0,25<х<0,64) с
использованием мишеней ферромагнитных металлических сплавов и диэлектрических ве-
ществ [3]. Плёнки серии А получены в атмосфере аргона при давлении Р(Лг)=4'10 2 Па, а плёнки серии В (с добавлением кислорода) при Р (О2)= 3*108 Па. Толщина и химический состав плёнок определены с использованием сканирующего электронного микроскопа JSM-6400 [2]. Толщина плёнок составляла 3-6 мкм и зависела от концентрации х. Наноструктура плёнок, размер металлических и диэлектрических областей и степень их кристаллизации были изучены с использованием рентгеновского дифрактометра DRON-2 [3]. На рис. 1 показана рентгеновская дифрактограмма до и после отжига (отжиг производился 1,5 часа при 650К) для плёнок серии А (рис. 1, а, Ь) и серии В (с, $) с различным процентным содержанием металлической фазы Х=х-100% : (а) - 30%,
Рис. 1. Рентгенограммы до (чёрные линии) и после отжига (серые линии) для плёнок серий А (слева) и В (справа) с различным процентным содержанием металлической фазы X : а - 30%, Ь - 54%, с - 26,3%, d - 52,8%
(Ь) - 54%, (с) - 26%, (ё) -53%. Рис. 1 показывает наличие двух пиков. Первый пик имеется только для одной подложки и к плёнке, соответственно, не относится. Второй пик 2 -в * 57 соответствует ионам железа в кристаллических областях плёнки и возникает только для плёнок серии А. Этот факт свидетельствует о наличии кристалличности в металлических областях плёнок серии А. Отжиг при малых х<0,35 приводит к исчезновению этого пика. Это означает, что кристалличность металлической фазы плёнки формируется вблизи металл-диэлектрической границы. Размер кристаллических областей растёт с увеличением металлической фазы X от 2 нм при Х=32% до 8 нм при Х=63%. На рентгеновских спектрах для плёнок серии В до и после отжига отсутствуют пики, что соответствует их полной аморфности. При больших Х>50%, наоборот, влияние диэлектрической среды очень мало, и отжиг способствует кристаллизации во внутреннем объёме металлических гранул плёнок серии А.
СВЧ магнитные и релаксационные свойства сильно зависят от проводимости плёнок. Характерное электрическое сопротивление было измерено с использованием источников постоянного тока при комнатной температуре, его зависимость от концентрации металлической компоненты х показана на рис. 2.
При изменении X величина удельного сопротивления уменьшается больше чем на два порядка для обеих серий плёнок [1, 3]. Однако различие удельных сопротивлений двух серий плёнок составляет полтора порядка и связано с окислением металлических областей или гранул и с увеличением толщины границы между металлическими гранулами.
Для плёнок серии А максимум удельного сопротивления наблюдается при Х=37%. Эта концентрация соответствует области перколя-ции плёнок серии А. Для плёнок серии В область перколяции нечётко выражена и размыта на широкий интервал концентраций. Существенные процессы перколяции начинаются при
X > 50%.
101 -1
10% ■
Е ю1 п х :
С! ю-S с£ :
10 31
1041
10'5 —
25 30 35 40 45 50 55
X, at%
Рис. 2. Зависимость удельного электрического сопротивления р от концентрации металлической фазы X для композитных плёнок серии А (квадраты) и для серии B (треугольники)
СВЧ магнитные свойства плёнок.
Спектры ферромагнитного резонанса (ФМР) получены с помощью электронного парамагнитного спектрометра на частоте 9,45 ГГц с использованием стандартной модуляционной методики [1, 2]. Усреднённая намагниченность для композитных плёнок в зависимости от концентрации X была получена с использованием известной формулы Киттеля [5]:
®0
-----= Hres + 4п < M >, (1)
H res У
где COq - частота переменного магнитного поля, Hres - напряжённость постоянного поля, при котором наблюдается резонанс, У - гиромагнитное отношение для спина электрона. На рис. 3 показаны зависимости усреднённой по плёнке намагниченности <M> для двух серий плёнок A и B от концентрации металлической фазы X. Как видно из рис. 3, распределение магнитной фазы в плёнках обеих серий примерно одинаковое, особенно в области концентраций X=40^50%. Это говорит о близкой топологии ферромагнитных наногранул в области этих концентраций. Поскольку средние значения <M> близки друг к другу, то области окисления
Рис. 3. Зависимости средней намагниченности <М> композитных плёнок двух серий плёнок А (квадраты) и В (треугольники) от концентрации металлической фазы X
металлической фазы для плёнок серии В незначительны. Определение намагниченности насыщения для плёнок и ферромагнитных неокис-ленных гранул (Со4уРе4^г10) можно сделать на основе экстраполяции зависимости <М(Х)> до значений Х= 100%. Экстраполяция даёт значение 1 500 Гс, которое совпадает с табличным значением бинарного сплава Со и Fe [4].
На рис. 4а показаны зависимости внешнего постоянного резонансного поля Н гез от концентрации металлической фазы X (резонансная частота переменного поля f=9,45 ГГц) для двух серий плёнок. Отметим, что
ц,; = н./н„+Ни), (2)
определяется формулой Киттеля [5], где Нт = ^1 у* = 3375 Э, у*=2,8 МГц/Э, Н м - вклад диполь-дипольного взаимодействия во внутреннее поле. Уменьшение расстояния между ферромагнитными гранулами приводит к увеличению Ни, следовательно, к уменьшению Нгез. Распределение металлической фазы в плёнках обеих серий одинаково, что видно из зависимости Нгез от X. На рис. 4Ь показана зависимость ширины линии ФМР ДН от X. Ширина линии ФМР опре-
М
3000 - •
• ■-
V
V ■
• ■
• ■
■
■
от
■ т
■■■ *
1000 -
зо------------------40------------------§0------------------еа
X, а!%
(Ь)
1500 - • • •
• ••
• • -
• Г ■
лі • ; -
1000- ■
>—/ ■
ьн ■
н-Ц • ■
* ■
_ ■_
500- ■_
+ ■ ■■
“I-------------1------------1------------1-----------1------------'-----------Г"
30------------------------40-----------------------50-----------------------6&
(X. а1°<>) =
Рис. 4. Зависимость ферромагнитного резонансного поля Нге;, (а) и ширины резонансной линии АН (Ь) от X для плёнок серии А (квадраты) и для серии В (кружки)
деляет релаксационную частоту намагниченности в пленках [1, 3]. Из рис. 4Ь следует, что увеличение X и уменьшение расстояния между металлическими гранулами для плёнок серии А приводит к уменьшению ДН, что свидетельствует о наличии сильного взаимодействия
между ферромагнитными гранулами благодаря электронной проводимости, которая не имеет место для плёнок серии В. При больших концентрациях X для плёнок серии А ширина линии ФМР ДН увеличивается до естественной ширины линии, а для плёнок серии В наблюдается незначительный рост ДН.
Влияние отжига плёнок на спектр ФМР. На рис. 5 показаны зависимости ширины линии ФМР ДН и значений напряжённости резонансного поля Н гез от температуры отжига Т для плёнок серии А и В с различным
ап ^ л
процентным содержанием металлической фазы X. Для плёнок серии В при концентрациях X < 50% на зависимостях Н ге„ и АН от Т
ап
имеется экстремум. Минимум в зависимости АН от Т может быть связан с оптимальным
ап
распределением оксидных включений, дефектов и металлической фазы в диэлектрической матрице при некоторой температуре отжига. Для плёнок серии А и В при больших концентрациях X (за границей перколяции) наблюдается уменьшение внешнего резонансного поля Н гез и увеличение ширины линии ФМР. Такое поведение зависимости АН от Т можно объяснить уве-
ап
личением размагничивающих полей между группами ферромагнитных частиц вследствие их объединения в большие группы в результате отжига. Для плёнок серии А вдали от порога перколяции ^> 50 %) форма линии ФМР остаётся почти такая же, как и после отжига, что в свою очередь показывает отсутствие изменения наноструктуры и удельной проводимости этих плёнок. Ширина линии ФМР АН и величина резонансного поля Н гез значительно меняется ниже порога перколяции для плёнок серии А и В во всём диапазоне концентраций X при увеличении температуры отжига от 300К до 800К. Ширина линии ФМР растёт с ростом температуры. Вблизи порога перколяции для плёнок серии А наблюдаются значительные изменения ширины линии ФМР. Выше порога пер-коляции ^>50%) АН и Нге8 мало изменяются.
Заключение. Исследованы две серии плёнок, полученные в атмосфере аргона при давлении Р(Лг)=4.10 2 Па (плёнки серии А) и с до-
Рис. 5. Зависимость ферромагнитного резонансного поля Нгез (а) и ширины резонансной линии АН (Ь) от температуры отжига Тпп для композитных плёнок с различным процентным содержанием металлической фазы X для серии А:----------(31,2%),
— (40%), (50%); серии В: --т-- (30%),
. (40%), --х-- (54%).
бавлением кислорода при Р(О2)=3.10-8 Па (плёнки серии В). Показано, что для плёнок серии А имеет место частичная кристаллизация металлических гранул и, соответственно, увеличение полей анизотропии. Как правило, кристаллическая фаза до отжига возникает на границе диэлектрика со сплавом из ферромагнитных металлов, поэтому даже малая доля кристаллической фазы и магнитная анизотропия на границе
могут оказывать значительное влияние на процессы релаксации вектора намагниченности и, соответственно, на ширину линии ФМР. Кроме того, плёнки серии В являются аморфными. Поэтому наблюдается значительное отличие микроволновых магнитных свойств плёнок этих двух серий. Для плёнок серии А вблизи границы перколяции ФМР свойства сильно зависят от температуры отжига и концентрации. Для плёнок серии В область перколяции проявляется при X>50%. Это приводит к существенным изменениям ФМР свойств в зависимости от температуры отжига и концентрации. Необходимо отметить, что различие ФМР свойств плёнок серий А и В связано с наличием металлической окиси сплава и изменениями свойств металл-диэлектрической границы. Увеличение
концентрации X в плёнках серии А приводит к электрическому контакту между металлическими гранулами. Обменное взаимодействие, вызванное наличием токов проводимости через металлические контакты в плёнках серии А намного больше, чем взаимодействие в плёнках серии В, вызванное прыжковой проводимостью через границу металл - полупроводник -диэлектрик - металл. Средняя толщина границы металл - полупроводник - диэлектрик -металл в плёнках серии В больше, чем радиус обменного взаимодействия [6]. Аморфность плёнок и наличие окисла металлической фазы играют определяющую роль в проводимости, ФМР свойствах плёнок и определяют топологию ферромагнитных гранул в зависимости от концентрации X
Список литературы
1. КотовЛ.Н. и др. / Mater. Sci. and Eng. V 442 (2006). P 352.
2. Котов Л.Н. и др. / JMMM. V. 316 (2007). P 20.
3. КалининЮ.Е. и др. / Физика и химия обработки материалов. 2001. P. 14.
4. ПетраковА.П. / ЖТФ. 73 (2003). P 129.
5. КалининЮ.Е., РемизовА.Н., СитниковА.В. / Физика твердого тела. 46 (2004). P 2076.
6. ГуревичА.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. М., 1973.
Kotov Leonid, Asadullin Fanur, Efimets Yury, Vlasov Vladimir, Turkov Viktor, Petrakov Anatoly, Petrunyov Sergey, Kalinin Yury, Sitnikov Aleksandr
NANOSTRUCTURE, ELECTRIC AND MICROWAVE MAGNETIC PROPERTIES OF THE TWO SERIES OF COMPOSITE FILMS (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)1_x
The paper is devoted to studying microwave properties of composite (metal-dielectric) films and to revealing interrelation with their nanostructure characteristics and the degree of crystallinity. Crystal structure, nanostructure, dependences of specific electric resistance, ferromagnetic resonance position and resonance line width in relation to the metal phase concentration and annealing are investigated for the two series of films.
Рецензент - Матвеев В.И., доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова
